面向太赫兹和远红外技术的一种可重构二氧化钒-石墨烯-石墨超表面的理论研究与数值分析

《Diamond and Related Materials》：Theoretical investigation and numerical analysis of a reconfigurable VO?–graphene–graphite metasurface for terahertz and far-infrared technologies

　　

摘要
提出并分析了由石墨烯/石墨和二氧化钒（VO?）组成的可重构双频多层超表面吸波体的设计，用于下一代太赫兹和远红外（FIR）技术。该结构能够同时提供多种电磁屏蔽能力和极化控制功能。多层设计程序包括石墨接地层与二氧化硅（SiO?）介质间隔层的交替排列。这种组合提供了阻抗匹配层，为超表面器件创造可调的电磁响应。石墨具有优异的导电性、各向异性特性和高热稳定性，使其成为有吸引力的轻质金属替代材料。凭借宽吸收能力和低欧姆损耗的特性，石墨提高了超表面的吸收效率并最大限度减少了欧姆损耗。VO?使电磁响应受温度控制，而石墨烯使设计具备良好的导电性和表面特性。绝缘相的吸光度峰值在16.32/25.86 THz处超过95%，电磁屏蔽效能（SE）超过47 dB。而在导电相中，吸光度值超过95%，SE值超过20 dB。这些高SE值展示了超表面有效衰减电磁干扰（EMI）的能力。此外，超表面在所有入射角下均实现极化无关操作，ADS电路仿真数据与CST结果良好吻合。

引言
太赫兹（THz）技术领域的研究对发展先进技术至关重要，特别是在6G及6G之后的无线通信系统领域，因为THz技术提供了超宽带宽和高数据速率。此外，THz技术在高分辨率成像、光谱分析、生物传感和安全检查等领域也具有巨大潜力。通信、传感和成像技术的进步从根本上依赖于专用太赫兹（THz）元器件的发展。具体而言，在THz天线、吸波体、传感器和可重构器件方面的创新对于克服当前的性能局限和释放下一代高频应用的潜力至关重要。对支持微波和THz技术进步所需吸波结构的日益增长的需求，在很大程度上依赖于经过验证的分析模型和等效电路模型。这些模型对于设计和优化吸波体至关重要，它们可以减轻等离子体器件中的电磁干扰（EMI）、实现多器件集成，并确保高功率操作下的最大吸收效率。

掺入石墨烯、石墨或VO?的先进超表面的开发促进了高性能THz系统的创建。这些结构作为动态可调的THz吸波体、宽带电磁屏蔽体和电磁波操控的多功能组件发挥作用。基于超材料/超表面的吸波结构因其提供前所未有的电磁（EM）波控制能力而受到广泛研究，能够实现近乎完美的、超薄且高度可定制的吸收，这是天然材料在物理上无法实现的。太赫兹（THz）超材料吸波体的快速发展已实现高度可调的、极化不敏感的宽带电磁波操控。通过利用先进材料，包括石墨烯、二氧化钒（VO?）和锑化铟（InSb），研究人员克服了常规带宽限制，使其适用于生物传感、隐身和高频通信等应用。关于太赫兹超材料吸波体的文献涵盖了多种多样的物理机制、结构构型和计算设计方法。一种新型太赫兹（THz）超材料吸波体已被开发，其特征是可调双频工作频率和极化不敏感性能。该器件在两个工作频段均保持高吸收效率，对入射信号的极化角度敏感度极低，验证了极化无关超材料在THz技术中的未来潜力[1]。类似地，通过等离激元结构实现了多频带吸收特性。例如，连续等离激元带和具有不同介电填充变化的连续超材料被用于实现宽带THz吸收，石墨烯层的几何和介电特性作为调节吸收性能的主要控制变量[2]。石墨烯结构的可调性在费米能控制方面已被广泛研究。这种机制能够动态修改表面电导率，从而产生宽带等离激元吸收。这一独特能力使基于石墨烯的吸波体对开发可重构THz器件的研究人员极具吸引力[3]。为了扩展工作带宽，已经探索了各种先进几何结构和材料集成方案。多层石墨烯超材料结合不同的几何构型与多层石墨烯片，已被证明可实现显著的宽带吸收[4]。一种采用双层石墨烯技术的新型超材料已被开发，以在THz频谱内实现宽吸收范围。多层结构的引入改善了系统中的耦合和阻抗匹配，使吸收过程更加容易[5]。向无金属构型发展，由堆叠石墨和/或石墨烯圆盘组成的大面积THz吸波体已成功合成[6]。一种非金属超薄超材料吸波体已被研究用于THz器件，提供近乎完全的吸收和极宽的频率范围。这种吸波体厚度更薄、材料更具柔韧性，并具有与柔性THz器件更好的集成能力[7]。除石墨烯外，相变和半导体材料扩展了器件功能。一种全介电THz超材料掺入锑化铟（InSb）谐振器，展示了适用于先进传感应用的双频、动态可调完美吸收[8]。一种基于二氧化钒（VO?）的可调近完美吸波体已被提出，利用VO?的导电相变来控制吸波体的吸收特性。相变过程使得材料对电磁波的响应能够在不同状态之间切换，并可用于主动可调THz器件[9]。VO?与石墨烯的结合已实现宽带可调THz吸波体的开发。两种活性材料的混合物在共振和吸收调制领域提供了更大的灵活性[10]。为了在电磁吸收中实现可调特性，对VO?与石墨的组合进行了研究。所报告的设计利用VO?独特的相变能力和石墨突出的吸收特性，成功利用了两种材料的独特优势[11]。使用VO?-石墨烯设计的混合吸波体通过控制活性材料的状态实现了多功能性和多工作频段[12]。三层VO?-石墨烯混合超表面被开发为超宽频吸收的可重构设计。此外，由于可以改变多层结构中的活性材料，它还提供了四频带性能[13]。功能性材料在超材料中的集成开辟了分子检测的新途径。基于石墨烯的超材料吸波体已被有效应用于中红外介电常数检测[14]，具有极化不敏感完美THz吸收特性的石墨烯超材料已被定制用于高灵敏生物传感应用[15]。此外，宽带石墨烯超材料吸波体的基本物理和操作原理已在[16]中得到全面研究。为了加速这些复杂结构的优化和发现，最近的一项研究成功将深度学习和等效电路理论整合到新型超表面的快速设计过程中[17]。此外，一种用于较低中红外区域宽带、极化无关吸收的可调石墨烯超表面已在[18]中进行研究。新型石墨烯基超材料在THz波段的应用使得宽带可调偏振器的设计成为可能，该器件能够利用石墨烯的独特特性来操控偏振态[19]。对MXene和石墨烯基超材料吸波体替代传统金属吸波体用于THz应用的潜力进行了研究，因为它们的可调导电性和与电磁波的强相互作用为创建紧凑、宽带和可控的吸收器件提供了机会[20]。此外，碳纳米管（CNTs）也被研究用于可调THz吸波体。高导电性、低重量和可调电磁特性使CNTs在创建柔性、动态可调的THz吸波体方面极具前景[21]。太赫兹（THz）频率操控的进一步发展包括基于非对称十字谐振器的超表面设计，以实现双模式极化转换[22]。为了优化频率选择、无衍射的THz吸波体，已提出等效电路设计模型，并将其放置在距石墨烯超表面一定离散距离的位置[23]。谐振模式分析和数值驻波机制也推进了多频带无金属THz超吸波体的设计，通过整合石墨复合材料与超表面架构，实现了高入射角反射率[24]。进一步的研究表明，有机会利用石墨烯-VO?混合超材料实现从四窄带到宽带完美吸收的可切换操作[25]。另一篇文章报告说，通过使用石墨烯-VO?谐振器可以实现超宽带和多频带太赫兹吸收能力的改变[26]。文章[27]证明，结合石墨烯和VO?的混合超表面允许同时实现完美吸收和交叉极化之间的动态切换。Yang等人报告了一种利用VO?和石墨烯的电和热可调太赫兹吸波体[28]。一种混合石墨烯-VO?超表面被提出用于高级波前操控，结合电可调石墨烯和热控制VO?，允许动态控制电磁辐射的振幅和相位[29]。此外，一种数字编码石墨烯-金刚石超表面被提出用于实现动态多频带完美吸收[30]。最后，一种基于石墨烯-VO?超材料结构的多功能吸波体被报道，可实现可控的电磁吸收[31]。基于VO?的超表面已被用于控制辐射热传递。然而，VO?的温度驱动相变允许动态调制热发射和电磁能量交换[32]。[33]中开发了一种双功能超材料器件，允许同时控制电磁能量耗散和极化特性。这种多功能结构证明了在一个紧凑的超表面中结合吸收和极化控制的可能性。基于石墨烯-VO?异质结构的多功能THz超表面也已被提出，具有独立的电和热控制机制，允许灵活调节电磁响应并提供动态操作可重构性[34]。用于传感应用的石墨烯超材料吸波体的创建也已被研究，其中环境变化可以通过共振偏移来监测。其独特的宽带特征和可调材料特性使其在THz传感器件应用中极具吸引力[35]。研究人员开发了一种能够动态改变其导电性的石墨烯基THz吸波体，证明了其以动态特性系统控制吸收过程的能力[36]。采用等效电路分析（ECA）方法设计了一种五单元石墨烯基倾斜超材料吸波体[37]。ECA分析被证明是有效的，因为它提供了吸波体共振机制的理论和实践视角。一种基于热和电可调VO?和石墨烯的混合THz吸波体已被创建，在可变电和热影响下提供可控的吸收状态[38]。基于石墨烯和六方铁氧体钡（SrFe??O??）组合的超材料结构也已被研究，因为它们具有可调的THz吸收特性。此类材料的应用为研究人员提供了获得可控电磁吸收的额外可能性[39]。利用石墨烯和VO?超材料的可切换四窄带到宽带THz完美吸波体允许调节吸收特性，从而产生几个窄带共振峰和宽带吸收，用于可重编程的THz应用[25]。基于石墨烯超材料的超窄带、高灵敏度完美超材料吸波体被研究，利用其对石墨烯导电性的电控调节能力来调控响应。所提出的设计通过独特的共振构型实现了高度吸收，使其非常适合用于太赫兹（THz）折射率传感和生化研究[40]。利用石墨烯负载的GaP二聚体超表面实现了波长可调、高Q完美吸波体，提供尖锐定义的可调共振峰，从而实现高度选择性的、波长依赖的吸收[41]。[42]中报告的研究提出了一种热可调、双用途太赫兹（THz）超材料，利用稳定的相变材料实现实时电磁响应调制。所提出的器件能够在不同的THz状态之间切换，展示了其作为可重构吸波体、调制器或多功能THz器件的潜力。[43]中的作者提出了由GST（Ge?Sb?Te?）制成的超材料，可以同时控制多种电磁特性。通过利用GST的可逆相变，这种超材料实现了动态操作和联合极化操控。这一突破为自适应THz技术应用开辟了新可能性，包括先进的通信和传感。在[44]中，作者利用混合相变超表面研究了准束缚态连续谱（quasi-BIC）和类电磁感应透明（EIT）现象。

热相变过程能够实现高Q谐振的动态控制，并生成适用于太赫兹（THz）和光学过滤、调制及传感的透明窗口。近年来，太赫兹（THz）人工亚波长结构因其多样化的应用潜力而受到广泛关注。例如，一维超光栅在增强抗反射涂层、偏振分光器以及痕量分析物传感等器件性能方面展现了巨大潜力[45]。除传统结构外，诸如消旋电介质超表面等新型构型已被开发出来，以在无远场圆二色的情况下实现近场手性，从而实现对任意偏振旋转和波前操控的空前控制[46]。这些在波前和偏振工程方面的进展对于实现下一代高频系统（包括光子辅助高速太赫兹无线通信架构[47]）至关重要。此外，若干研究分析了如何控制VO?的绝缘体-金属相变（IMT）以应用于可变电磁场。通过应变和载流子浓度对带宽和能带填充的控制对相变产生强烈影响[48]。通过应变和缺陷工程，特别是利用氧空位，可以精细调节外延VO?薄膜的IMT温度以及物理和电学性能[49]。此外，蓝宝石基底上VO?薄膜的宽带介电光谱研究表明，其介电特性在宽频率范围内具有显著的低温依赖性[50]。

上述努力的结果共同表明，混合石墨烯-石墨-VO?超表面对于实现高效、动态可调谐及多功能的电磁和/或光子器件（工作在太赫兹和/或远红外频段）的相关性日益增强。尽管在基于石墨烯、石墨和二氧化钒（VO?）的太赫兹吸波器方面取得了显著进展，但仍存在若干未解决的挑战，例如控制复杂相变、维持宽带稳定性以及独特的开关和吸收特性等，这些限制将它们统一集成到单一动态可重构超表面平台的能力。最先进的太赫兹（THz）吸波器已被设计为吸收宽带辐射、将电磁波转换为电信号或作为传感器工作。尽管取得了这些进展，但关于在远红外（FIR）和高太赫兹频段工作的混合石墨烯/石墨/VO?基超表面的研究仍然有限。因此，这些混合构型同时提供高吸收能力、偏振无关性、角度稳定性以及足够的电磁屏蔽效能（SE）的能力在很大程度上尚未被探索。

本研究所提出的内容是将这些材料结合以开发一种工作在远红外（FIR）和高太赫兹区域的混合多层MMA，同时提供上述特性。鉴于现有文献中缺乏全面的解析设计验证，本研究强调了多功能、电可调谐混合超表面的迫切需求。所提出的多层混合MMA通过传输线等效电路建模和全波电磁分析进行验证。通过结合优异的吸收率、偏振无关性、宽带稳定性和强电磁屏蔽，这一开发成果（混合MMA）将推动下一代THz/FIR通信、传感技术和EMC系统。

所提出研究工作的新型技术贡献如下：

• 混合超表面架构：本研究设计了一种新的多层石墨烯-石墨-二氧化钒（VO?）超表面，将VO?与SiO?介电间隔层集成以创建紧凑且可调谐的太赫兹吸波器。

• 双频太赫兹工作：这种新型超表面被设计为在16.32 THz和25.86 THz谐振频率下工作，使其成为双频太赫兹技术的理想候选。

• 相变可重构性：通过利用VO?的相变（从绝缘体到金属），可以通过VO?的介电到金属转变动态调节该超表面的吸收特性。

• 石墨作为无金属接地层：石墨在该结构中作为接地平面，而非传统吸波器中使用的金属，这得益于其独特的电导率、各向异性特性、低质量、高热稳定性和更低的欧姆损耗。

• 高吸收性能：在两个谐振频率下，该超表面在绝缘相和导通相下均能吸收超过95%的入射电磁（EM）能量，表明其具有高的吸收效率。

• 优异的电磁屏蔽：该设计在绝缘相下实现了超过47 dB的屏蔽效能（SE），在导通相下实现了超过20 dB的SE，显示出显著的EMI抑制能力。

• 偏振无关特性：在宽入射角范围内，该超表面表现出偏振无关的性能。因此，它是实际太赫兹系统的有效解决方案。

• 阻抗匹配的多层构型：由二氧化硅（SiO?）和石墨组成的多层排列的替代构型改善了与自由空间的阻抗匹配，从而增强吸收并减少反射。

• 解析电路验证：该设计通过CST全波电磁模拟和在ADS中创建的传输线模型进行验证，并对谐振机制进行了解析验证。

• 低损耗和热稳定构型：石墨和石墨烯的结合带来了更低的传导损耗和更大的热稳定性，使该设计适用于太赫兹区域的低频、高功率操作。

• 多功能电磁特性：所提出的太赫兹超表面提供了高（90–99）%的吸收系数和具有偏振能力的电磁屏蔽，从而将多种功能集成到紧凑的设计中。

• FIR和THz技术的下一代应用：该设计适用于FIR和THz应用，包括6G通信、电磁屏蔽、隐身技术、可变偏振、太赫兹成像、传感和集成光子系统。

**元表面吸波器设计过程**

图1的说明中展示了所提出元表面系统及其几何参数。表I总结了基于元表面的混合MMA的最优尺寸参数。该发明由三个主要部件组成：一个图案化石墨烯谐振器，与对角VO?条带和一个圆形分裂环结构集成，圆形分裂环结构具有四个交替凹槽，置于SiO?基底上，用于吸收和屏蔽太赫兹电磁波。在SiO?介电层下方，放置一个石墨接地平面。

**元表面吸波器设计的材料分析**

VO?-石墨烯-石墨元表面吸波器的研究性能基于若干关键参数进行评估，如吸收率特性、电磁屏蔽效能（SE）、角度稳定性、偏振无关性、电磁场分布和电气偏压可调谐性。通过CST全波电磁模拟获得的结果与使用高级设计系统（ADS）的等效传输线电路模型响应进行了比较。

**所提出元表面的解析等效电路**

通过对比传输线电路对所建议的元表面吸波器进行了解析描述，该等效电路由三个并联谐振支路组成，支路由RLC电路组成，分别代表VO?、石墨烯和石墨层。各支路的谐振频率可通过LC谐振关系公式1/2π√(LC)获得，吸收过程通过使用电阻值R?等于22.5 Ω、R?等于来确定。

**可调VO?-石墨烯-石墨混合元表面吸波器的微加工可行性**

图13展示了所提出的由VO?、石墨烯和石墨组成的可重构太赫兹元表面吸波器的完整制造过程。制造所提出的VO?-石墨烯-石墨太赫兹元表面吸波器需要精确的层叠、图案化和热处理顺序，以实现动态双频可调谐。第一步是基底准备，以适应器件。随后，应用石墨接地平面，接着进行图案化。

**与最先进技术的对比分析**

表III提供了对各种元吸波器设计的全面对比分析，突出了当前设计如何通过其独特的性能特征产生影响。与其他报道的研究相比，所提出设计的最显著优势在于其多功能性。所有其他列出的设计均工作在单一频段内，而所提出的模型除外。所提出的设计工作在两个不同的高频频段内：16.08–16.56 THz和23.94–27.84 THz。大多数设计仅覆盖单一频段。

**结论**

所提出的双频太赫兹元表面吸波器具有多层金属化石墨烯、VO?、石墨和SiO?设计，通过专用涂层提供了消除电磁干扰（EMI）的高效解决方案。元表面结构在绝缘（关闭）状态下提供>90%的吸收率，并提供>47 dB的有效屏蔽。在导通状态下，MMA实现了>90%的吸收率和>20 dB的屏蔽效能，确认了其卓越性能。

**CRediT作者贡献声明**

K. Vasu Babu：撰写–初稿、软件、方法论、调查、概念化。Gorre Naga Jyothi Sree：撰写–初稿、可视化、软件、数据管理、概念化。Sudipta Das：撰写–初稿、方法论、调查、形式分析、概念化。Abeer D. Algarni：撰写–审阅与编辑、验证、监督、项目管理、方法论。Namrata Vrajlal Langhnoja：撰写–审阅与编辑、可视化、方法论、资金获取。

本研究由沙特阿拉伯利雅得诺拉公主·本·阿卜杜勒-拉赫曼大学研究人员支持项目（编号PNURSP2026R51）资助。

**利益冲突声明**

作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。

**致谢**

作者感谢沙特阿拉伯利雅得诺拉公主·本·阿卜杜勒-拉赫曼大学研究人员支持项目（编号PNURSP2026R51）的资助。

K. Vasu Babu | Gorre Naga Jyothi Sree | Sudipta Das | Abeer D. Algarni | Namrata Vrajlal Langhnoja | Ghanshyamkumar Sah